Et forbedret geotermisk system bruker olje- og gassteknologi for å utvinne lavkarbonenergi. Del 1.

Det amerikanske energidepartementet (DOE) har finansiert et prosjekt kalt FORGE hvor varm granittstein skal bores og fraktes ved bruk av den beste olje- og gassteknologien. Et overordnet mål er å se om vann pumpet ned en brønn kan sirkuleres gjennom granitten og varmes opp før det pumpes opp en andre brønn for å drive turbiner som genererer elektrisitet.

John McLennan, Institutt for kjemiteknikk, University of Utah, er co-hovedetterforsker for dette DOE-prosjektet. En webinarpresentasjon om dette emnet ble sponset av NSI 6. april 2022: Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE): En oppdatering og et blikk

Følgende er spørsmål stilt til John McLennan, og svarene hans.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Q1. Kan du gi en kort historie om geotermisk energi?

Fra tidlig arbeid ved Larderello i Italia, på begynnelsen av 1900-tallet, har geotermisk energi (for elektrisk produksjon og direkte bruk) utvidet seg til en installert elektrisk produksjonskapasitet på 15.6 GWe (GigaWatt elektrisitet) i 2021. Utnyttelsen er global – mer enn 25 land over hele verden. Imidlertid er allokering fortsatt en liten del av verdens energiportefølje. Når man ser på denne globale distribusjonen, er geotermisk energi konvensjonelt begrenset til overflatenær uttrykk for forhøyet temperatur, slik det ville forekomme nær plategrenser, vulkaner, etc.

USA har den største installerte geotermiske elektriske produksjonskapasiteten, etterfulgt av Indonesia, Filippinene, Tyrkia, New Zealand, Mexico, Italia, Kenya, Island, Japan. Av disse operasjonene i USA kan brønner som produserer geotermisk energi i gjennomsnitt 4 til 6 MWe. Som en tommelfingerregel, ved 392°F (200°C) og flyter med 9 bpm (378 gpm), kan i størrelsesorden 1 MWe generere, kanskje betjene 759 til 1000 hjem i USA.

Geotermiske kraftverk varierer i størrelse, fra noen få brønner (noen produserer opptil 50 MWe) til mange brønner. "Geysirene, …, er det største komplekset av geotermiske kraftverk i verden. Calpine, den største geotermiske kraftprodusenten i USA, eier og driver 13 kraftverk ved The Geysers med en netto produksjonskapasitet på rundt 725 megawatt elektrisitet – nok til å drive 725,000 XNUMX hjem eller en by på størrelse med San Francisco.»

Q2. Hva er forbedrede geotermiske systemer, og hvor brukes fracking?

For omtrent femti år siden ble konseptet Enhanced Geothermal Systems (EGS) sett for seg av forskere og ingeniører ved Los Alamos Scientific Laboratories (nå LANL). Den gang var konseptet kjent som hot dry rock (HDR). En metodikk er å bore en injeksjonsbrønn og en produksjonsbrønn og lage sprekkene som forbinder dem. Disse bruddene fungerer som varmevekslere - omtrent som radiatoren i en bil.

Vann brukes som arbeidsvæske i dette lukkede systemet (vann går ikke tapt). Kald væske sprøytes ned i en brønn. Den passerer gjennom sprekkene og henter dermed varme fra den varme bergarten. Denne varme væsken produseres til overflaten gjennom den andre brønnen i dubletten. Ved overflaten kan den oppvarmede væsken bli fordampet til damp eller løpe gjennom et organisk Rankine-syklusanlegg for å drive en turbin og deretter en generator. Vannet, med varme tatt ut, resirkuleres.

Selv om det er en god idé, har suksess blitt hindret i de femti årene siden den ble unnfanget. Selv om det har vært flere prosjekter rundt om i verden, med vitenskapelig suksess, har ikke kommersialiteten blitt oppnådd og elektrisk produksjon ved disse pilotene har ikke oversteget ~1 MWe.

I USA er imidlertid ressursen betydelig. I det vestlige USA er estimatene 519 GWe ved boredybder på mindre enn 15,000 20,000 til XNUMX XNUMX fot. Moderne boreteknologi, tilpasset fra petroleumsindustrien gjør denne boringen gjennomførbar. Kombiner dette med utviklinger som tillater boring av horisontale brønner og skaper et mangfold av hydrauliske sprekker langs disse brønnene (tenk deg at hver sprekk gir betydelig overflate for varmeveksling) og forbedrede geotermiske systemer er gjennomførbare.

Å lage bruddsystemet ved hydraulisk brudd er et nøkkelelement. Dette er ikke nytt. Det ble først prøvd for EGS på Fenton Hill-området i Jemez Caldera i New Mexico, under tidlig utvikling av Los Alamos National Laboratories. Det er verdt å merke seg en stor hydraulisk sprekk som ble pumpet i desember 1983 for å forsøke å koble sammen to brønner (før moderne retningsboring lett ble brukt). I den hydrauliske stimuleringen ble 5.7 millioner gallon vann med tilsatt friksjonsredusering pumpet med opptil 50 bpm (2100 gallons per minutt) ved trykk nede i borehullet opp til ca. 12,000 XNUMX psi. Fine partikler av CaCO₃ ble tilsatt for væsketapskontroll (for å forenkle bruddsystemet).

Lærdommen fra Fenton Hill, andre steder rundt om i verden og teknologier fra andre utvinningsindustrier (skrå- og horisontalboring, flertrinnsfrakturering) oppmuntret USAs energidepartement (DOE) til å starte et fornyet forskningsprogram kjent som FORGE (Frontier Observatory) for Research in Geothermal Energy) for å bygge et feltlaboratorium for å teste nye teknologier som vil tillate kommersialisering av EGS.

Q3. Fortell oss om stedet for FORGE-prosjektet i Utah og hvorfor det ble valgt.

DOE sponset en konkurranse blant fem fremtredende EGS-lokasjoner i USA. Dette ble deretter "nedvalgt" til nettsteder i Fallon, Nevada og Milford, Utah. I 2019 ble Milford-stedet til slutt valgt som stedet for FORGE-feltlaboratoriet (se bildet øverst i innlegget).

Kriteriene for valg inkluderte 1) reservoartemperaturer mellom 175 og 225°C (varmt nok til å bevise konsepter, men ikke så varmt at teknologiutviklingen hindres), 2) på dyp større enn 1.5 km (dypt nok til at utvikling av boreteknologi er mulig) , 3) bergart med lav permeabilitet (granitt på FORGE-stedet), 4) lav risiko for å indusere seismisitet under operasjoner, 5) lav miljørisiko og 6) ingen tilknytning til et konvensjonelt geotermisk system.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++

Del 2 vil fortsette emnet ved å ta opp følgende spørsmål og svar:

Q4. Hva er den grunnleggende utformingen av injeksjons- og produksjonsbrønnene?

Q5. Kan du oppsummere de tre frac-behandlingene i injeksjonsbrønnen og resultatene deres?

Q6. Hva er potensialet for kommersiell bruk?